足细胞骨架结构的调节机制与蛋白尿

李 琴 综述 龚 伟 审校

·基础医学·

足细胞骨架结构的调节机制与蛋白尿

李 琴 综述 龚 伟 审校

蛋白尿是影响全球几百万人的主要卫生保健问题，它是肾脏疾病的主要指标和预后标记物，也是心血管疾病患病率和死亡率的独立风险因素。微量白蛋白尿是糖尿病、肥胖和代谢综合征肾脏并发症的最早期指标。在慢性肾脏病的疾病发展过程中10%～50%的患者可出现显性蛋白尿，最终进展至透析或移植。因此，减少或阻止蛋白尿的发生是非常有意义的。

蛋白尿 足细胞 骨架结构

蛋白尿类型

正常人尿蛋白排泄率应小于150 mg/d，且主要成分为滤过的血浆蛋白（60%）和小管Tamm-Horsfall蛋白（40%），并以白蛋白为主，正常人每日尿白蛋白总量应小于20 mg。蛋白尿常反映肾小球对白蛋白和其他血浆大分子物质的通透性增加。24h尿蛋白总量超过150 mg可认为具有病理意义。蛋白尿可分肾小球型、肾小管型、溢出型和运动诱发型等类型，肾小球型蛋白尿最常见（约90%）［1］。

肾小球滤过屏障

肾小球属于高度分化的血管床，可选择性超滤血浆以保证血浆中的必需蛋白仍保留在血液中。肾小球丝球体的基本单位为单个毛细血管袢。肾小球基膜（glomerular basementmembrane，GBM）为肾小球丝球体支撑结构，其内侧附有窗孔内皮细胞和系膜细胞，足细胞紧贴其外。上述构成肾小球滤过屏障，对不同电荷、不同大小的蛋白具有选择性。肾小球滤过屏障通透性增加时，则出现蛋白尿［2］。足细胞蛋白（包括α-actinin-4、nephrin、podocin和TRPC6等）基因突变，将破坏肾小球滤过屏障，引起足细胞肌动蛋白骨架的重排，导致肾脏疾病。其他调控足细胞肌动蛋白骨架的蛋白如Rho-GDIa、Nck1/2和突触孔蛋白在维持肾小球滤过屏障功能中也起着重要作用［3，4］。

足细胞与裂孔隔膜

已分化的足细胞来源于上皮祖细胞，属于间充质细胞。与周细胞相似，足细胞并不完全围绕毛细血管袢。足细胞由形态、功能各异的三部分组成：胞体、主要突起和足突［5］，主要突起源于胞体，分支形成足突（图1A）。足突内含有肌动蛋白的细胞骨架与GBM相连。足突从功能上分为三个膜性结构域：顶膜区，裂孔隔膜（slit diaphragm，SD）和与GBM相连的基膜区（又叫底板），其结构和功能均与足突肌动蛋白细胞骨架相关［4］。相邻的足突相互交错形成网状结构，由SD连接［6］。SD覆盖30～50 nm的滤过孔隙，构成肾小球滤过的最后一道屏障［7］。足细胞的功能有赖于上述复杂的细胞构架（图1A）。

图1 正常和肾病综合征时足细胞的结构［3］

SD上分布的各种膜蛋白，通过受体或效应器与肌动蛋白骨架相连，调节足突的形状、长度，甚至不可逆性变化。当某一足突发生变化时，需要相邻足细胞足突的精密配合，才能保证SD两侧的功能配对的足突和级联信号一致［4］，在足突运动时维持滤过屏障的完整性。NPHS1是编码SD蛋白nephrin的基因，它的突变将导致芬兰型遗传性肾病综合征。近期研究显示，nephrin通过衔接蛋白Nck与肌动蛋白骨架相连，在调节足细胞肌动蛋白动力学中发挥关键作用［8］。

足细胞功能失调是蛋白尿疾病的共同通路

多种类型的肾小球疾病和动物模型均能引起足细胞损伤，如2型糖尿病肾病微量白蛋白尿期就出现足细胞相对密度下降，足突宽度增加，并可见胞体脱落、足突融合、微绒毛化等变化［9］。足突的任何一个结构域发生功能障碍，都将引起肌动蛋白从并联的收缩蛋白束变成致密的网状结构，并伴有足突融合（足突结构单一化和正常指状突消失）（图1B）和蛋白尿［10］。导致足突融合和蛋白尿发生的原因有：（1）SD结构或功能变化；（2）GBM或足细胞与GBM的联系改变；（3）足细胞肌动蛋白骨架功能障碍；（4）足细胞表面阴离子改变；（5）胞质组织蛋白酶L（cytosolic cathepsin L，CatL）介导的蛋白水解增加。另外，调节足细胞的转录子的变化，如血管内皮细胞生长因子，转化生长因子β，脂联素，也能致病［3］。早期足细胞的形态改变，如足突融合、SD断裂是可逆的（图2）。持续性损伤将导致足细胞凋亡或从GBM上脱落，最终进展为肾小球硬化和终末期肾功能衰竭［11］。

图2 足细胞受损对肾脏的影响

足突的肌动蛋白骨架处于动态变化中，但机制不清。硫酸鱼精蛋白（protamine sulfate，PS）灌注大鼠肾脏是研究足突动力的经典实验，它在15 min内出现足突融合、SD断裂和nephrin酪氨酸磷酸化。继而再灌注肝素15 min可逆转上述足突融合，nephrin磷酸化等反应［8］。用松胞菌素破坏肌动蛋白细胞骨架，能抑制PS所致的足突融合，因此肌动蛋白重构在足突的动态变化中起关键作用［8，12］。

胞质CatL和B7-1在蛋白尿发病机制中的作用

CatL是组织蛋白酶家族成员，是一种半胱氨酸蛋白酶，主要参与溶酶体的蛋白降解。CatL抑制剂能降低实验性蛋白尿。临床研究显示，在各种伴有蛋白尿的肾脏疾病中，CatL表达明显增加，如微小病变肾病、局灶性节段性肾小球硬化症、膜性肾病和糖尿病肾病，进一步证实CatL介导的降解途径可能在蛋白尿的发生发展中起着关键作用［13-15］。胞质CatL变异后，动力蛋白（dynamin）和突触孔蛋白（synaptopodin）降解增加，出现蛋白尿。因此，激活CatL可能导致足突迁移，从而发生蛋白尿［15］。

在脂多糖诱导的蛋白尿模型中发现，足细胞中的协助刺激分子B7-1可能参与调节肾小球的滤过选择性。足细胞中B7-1的表达与狼疮性肾炎密切相关。B7-1缺失小鼠，经脂多糖诱导后，不会出现蛋白尿［16］。在体外培养的足细胞中，脂多糖通过调节Toll样受体-4，使足细胞中的肌动蛋白骨架发生重构［16］。足细胞能表达特殊的CatL抵抗型动力蛋白和突触孔蛋白，阻止蛋白尿的发生，因此脂多糖选择性与足细胞作用导致蛋白尿［13，15］。动物实验和临床肾脏病理研究，都证实B7-1、CatL和尿激酶纤溶酶原激活物受体（urokinase plasminogen activator receptor，uPAR）在脂多糖诱导蛋白尿中起着关键作用［15-17］（图3）。

图3 足细胞肌动蛋白动力的调节模式

Cdc42和Rac1的激活导致足突融合和蛋白尿

Rho家族的小GTPases（RhoA、Rac1和Cdc42）参与调节细胞各种生命活动，包括肌动蛋白的动力。研究显示，Rac1和Cdc42可分别调控线性和板状伪足的形成，影响细胞运动。相反，RhoA能促进胞体及末端肌动蛋白-肌球蛋白张力丝的形成［18］。uPAR是一种糖基磷脂酰肌醇锚蛋白，是尿激酶蛋白水解途径中的受体，它也能与其他膜蛋白，如整合素、小窝蛋白和G蛋白偶联受体蛋白等结合参与其他非蛋白水解通路。在脂多糖或嘌呤霉素诱导的蛋白尿模型中，足细胞uPAR表达增加、激活，使足细胞动力增加，在体内则导致足突融合和蛋白尿。与脂筏结合的uPAR能激活β3整合素，进而激活Rac1和Cdc42信号通路，导致足突融合和蛋白尿［17］。当用αvβ3整合素的选择性抑制剂cyclo-RGDfV处理小鼠后，可预防和减少蛋白尿发生［19］。在免疫缺失感染病毒导致的肾损伤和Rho-GDIa敲除小鼠中，足细胞Rac1的激活与蛋白尿密切相关［20］。抑制Rac1或其下游产物醛固酮，能阻止蛋白尿［20］。所以足细胞中Cdc42和Rac1的激活，广泛参与了足突融合和蛋白尿的发病机制。

突触孔蛋白能稳定足细胞肌动蛋白骨架

突触孔蛋白缺失的小鼠能维持肾小球的正常滤过功能，但这种小鼠经PS诱导足突融合或脂多糖诱导蛋白尿后，不易恢复［21］。突触孔蛋白和CD2AP缺失的杂合小鼠，可出现蛋白尿和局灶性节段性肾小球硬化症样肾损伤。突触孔蛋白通过稳定RhoA诱导张力丝的表达，破坏Cdc42-IRSp53-Mena通路抑制丝状伪足形成［22］。在敲除突触孔蛋白的足细胞中，用Mena的抑制剂FP（4）-Mito处理，能抑制丝状伪足错构，将其注入小鼠体内，则能阻止脂多糖诱导蛋白尿［22］。因此，突触孔蛋白作为 RhoA和Cdc42的拮抗剂，能抑制足细胞肌动蛋白骨架的动力变化，保护肾脏的滤过功能。

蛋白尿的治疗现状

治疗蛋白尿首先要区分是急性初发性的，还是慢性肾脏病。多个大型临床试验已证实，血管紧张素转换酶抑制剂（angiotensinconverting enzyme inhibitor，ACEI）和血管紧张素II受体拮抗剂（angiotensin II type 1-receptor blockers，ARB）类药物能有效降低蛋白尿，保护肾功能［23］。其抗蛋白尿的作用主要与降低肾小球滤过压，抑制足细胞局部RAS通路相关。在自发蛋白尿的大鼠模型中，其发病机制与zonula occludens-1（ZO-1）从SD转运到足细胞内有关。而赖诺普利不仅能阻止蛋白尿，也能将ZO-1转运回SD［24］。因此ACEI和ARB可通过稳定足细胞功能而保护肾，能调节细胞外基质、炎症因子和活性氧而保护足细胞功能及肾小球滤过屏障［23］。血压正常的Rho-GDIa-/-小鼠，用醛固酮抑制剂处理能降低蛋白尿，却不影响其血压［20］。而急性初发的蛋白尿，临床上常用免疫抑制剂如糖皮质激素、环孢素A（CsA）、普乐可复、霉酚酸酯和利妥昔单抗治疗，以发挥对T细胞抑制作用［25］。有研究报道足细胞上存在糖皮质激素受体，地塞米松治疗后，该受体转移到胞核。糖皮质激素能稳定并聚合肌动蛋白，还能激活足细胞中与骨架蛋白相关的蛋白激酶［26］。因此，除免疫抑制外，糖皮质激素还能通过调节足细胞肌动蛋白骨架发挥抗蛋白尿作用。

CsA能稳定足细胞突触孔蛋白降低蛋白尿

神经钙调蛋白是广泛存在于机体中的丝/苏氨酸磷酸酶，能调节活化T细胞的核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）。抑制活化T细胞的核因子而抑制神经钙调蛋白的功能［27］，能降低许多疾病导致的蛋白尿，如微小病变肾病和局灶性节段性肾小球硬化症。T细胞功能失调参与了某些疾病蛋白尿的发生（如儿童型微小病变肾病）。CsA可能通过抑制NFAT发挥抗蛋白尿作用，但CsA也能降低其他非免疫性疾病的蛋白尿（如Alport综合征）。脂多糖诱导的蛋白尿可不伴有T细胞改变［16］，但突触孔蛋白缺失的小鼠，经脂多糖诱导的蛋白尿难以逆转［21］。因此，除NFAT外，足细胞可能是CsA作用的另一个靶点。CsA能抑制神经钙蛋白对突触孔蛋白的去磷酸化作用，维持了磷酸化依赖的突触孔蛋白-14-3-3b整合素通路［13］，使突触孔蛋白免于被CatL降解，维持肾小球的滤过功能。在足细胞中，诱导CatL抵抗型的突触孔蛋白表达，不仅能保护其在脂多糖诱导中不被降解，阻止蛋白尿，同时也能保护其他CatL的靶蛋白，如动力蛋白和SD上的关键成分ZO-1［24］。诱导足细胞中神经钙蛋白的激活，足以导致突触孔蛋白降解而发生蛋白尿，因此，神经钙蛋白在调节足细胞功能和肾脏滤过功能中起着重要作用。在多数其他神经钙调蛋白的研究中，CsA并非通过抑制NFAT而起到降蛋白作用。因此，CsA能通过稳定足细胞中突触孔蛋白，维持稳态足细胞表型，阻止蛋白尿的发生［13，27］。

展 望

随蛋白尿发病机制研究深入，有望发明新的治疗方法。CatL介导足细胞蛋白降解导致蛋白尿的发生，对诸多肾脏疾病中足突融合的机理作了很好的诠释。CatL介导的酶降解途径和足细胞的迁移能力直接影响足突动力，例如Cdc42和Rac1的激活［17，20，22］。稳定胞质CatL的靶蛋白将成为保护肾功能的治疗新方向。而血管生成抑制剂和肿瘤抑制剂cyclo-RGDfV，能选择性抑制αvβ3整合素，已进入临床试验用于治疗各种癌症［19，28］。该药物还能抑制uPAR-β3-整合素信号通路和足突的过度活动，因此成为抗蛋白尿的潜在新药［17］。CsA通过直接调节足细胞功能而抗蛋白，提示其他类型肾损伤（如糖尿病肾病）导致的蛋白尿，也能通过稳定足细胞骨架治疗［29］。探索神经钙调蛋白-CatL和其他调节足细胞的蛋白和信号通路，如ROS、Ang II、TGF-β、TRPC6或nephrin-nck等信号通路，将有助于了解蛋白尿和肾脏疾病的发病机制［3，8］。综上所述，进一步研究神经钙调蛋白（突触孔蛋白），CatL底物（动力蛋白，突触孔蛋白）和CatL抑制剂，将为研究治疗蛋白尿和保护足细胞功能的药物提供新方向。

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Regulatory mechanism of podocyte cytoskeletal structure and proteinuria

LIQin，GONGWei
Department of Endocrinology and Metabolism，Huashan Hospital，Institute of Endocrinology and Diabetology，Fudan University，Shanghai200040，China

Proteinuria is amajor health issue that influencesmillions of people around.Proteinuria is themain indicator and prognosticmarker of kidney disease，and also an independent risk factor for the morbidity and mortality of cardiovascular disease.Microalbuminuria is the earliest indicator of renal complications in patients with diabetes，obesity，and themetabolic syndrome.In the development of chronic kidney disease，about10%～50%of patients can progress to overt proteinuria，eventually develop to ESRD and require dialysis or transplantation.Therefore，to reduce or prevent the occurrence of proteinuria is very important.

proteinuria podocytes cytoskeletal structure

2010-12-14

（本文编辑 春 江）

复旦大学附属华山医院内分泌科，内分泌糖尿病研究所（上海，200040）